Webb conferma il tasso di espansione dell’universo e approfondisce il mistero della tensione di Hubble

Il fatto che l'attuale misura del tasso di espansione superi significativamente la previsione è un problema ormai decennale chiamato 'La Tensione di Hubble'. La possibilità più eccitante è che la Tensione sia un indizio su qualcosa che ci manca nella nostra comprensione del cosmo

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La velocità con cui l’universo si sta espandendo, nota come costante di Hubble, è uno dei parametri fondamentali per comprendere l’evoluzione e il destino ultimo dell’universo. Tuttavia, si osserva una differenza persistente chiamata “tensione di Hubble” tra il valore della costante misurata con un’ampia gamma di indicatori di distanza indipendenti e il suo valore previsto utilizzando il bagliore residuo del Big Bang.

Il telescopio spaziale James Webb della NASA fornisce nuove capacità per esaminare e perfezionare alcune delle prove osservative più forti di questa tensione. Il premio Nobel Adam Riess della Johns Hopkins University e dello Space Telescope Science Institute ha presentato il recente lavoro suo e dei suoi colleghi utilizzando le osservazioni di Webb per migliorare la precisione delle misurazioni locali della costante di Hubble:

Il segno che i cosmologi vogliono leggere è un segnale di limite di velocità cosmico che ci dice quanto velocemente l’universo si sta espandendo: un numero chiamato costante di Hubble. Il nostro segno è scritto nelle stelle di galassie lontane. La luminosità di alcune stelle in quelle galassie dice quanto sono lontane e quindi per quanto tempo questa luce ha viaggiato per raggiungerci, e gli spostamenti verso il rosso della luce delle galassie ci dice quanto l’universo si è espanso in quel tempo, quindi ci dice il valore del tasso di espansione

Webb conferma l'accuratezza del tasso di espansione dell'universo misurato da Hubble e approfondisce il mistero della tensione costante di Hubble
Questo diagramma illustra la potenza combinata dei telescopi spaziali Hubble e Webb della NASA nel determinare le distanze precise di una classe speciale di stelle variabili utilizzata per calibrare il tasso di espansione dell’universo. Queste stelle variabili Cefeidi si vedono in campi stellari affollati. La contaminazione della luce proveniente dalle stelle circostanti può rendere meno precisa la misurazione della luminosità di una Cefeide. La visione infrarossa più nitida di Webb consente di isolare più chiaramente un bersaglio Cefeide dalle stelle circostanti, come mostrato nella parte destra del diagramma. I dati Webb confermano l’accuratezza di 30 anni di osservazioni di Hubble sulle Cefeidi, fondamentali per stabilire il gradino più basso della scala delle distanze cosmiche per misurare il tasso di espansione dell’universo.

Una classe particolare di stelle, le variabili Cefeidi, ci ha fornito le misurazioni più precise della distanza per oltre un secolo perché queste stelle sono straordinariamente luminose: sono stelle supergiganti, centomila volte la luminosità del Sole. Inoltre, pulsano (cioè, si espandono e si contraggono in termini di dimensioni) per un periodo di settimane che indica la loro luminosità relativa. Più lungo è il periodo, più sono intrinsecamente più luminosi”.

Sono lo strumento gold standard per misurare le distanze delle galassie distanti cento milioni o più di anni luce, un passo cruciale per determinare la costante di Hubble. Sfortunatamente, le galassie che ospitano queste stelle sono affollate in un piccolo spazio dal nostro punto di vista distant e quindi spesso non abbiamo risoluzione sufficiente per separare la loro luce da quella delle stelle circostanti rendendo incerto il calcolo delle distanze“.

Una delle ragioni principali per costruire il telescopio spaziale Hubble era quella di risolvere questo problema. Prima del lancio di Hubble nel 1990 e delle successive misurazioni delle Cefeidi, il tasso di espansione dell’universo era così incerto che gli astronomi non erano sicuri se l’universo si fosse espanso per 10 o 20 miliardi di anni. Questo perché un tasso di espansione più rapido porterà a un’età più giovane per l’universo, e un tasso di espansione più lento porterà a un’età più avanzata dell’universo”.

Hubble ha una migliore risoluzione nella lunghezza d’onda visibile di qualsiasi telescopio terrestre perché si trova al di sopra degli effetti di sfocatura dell’atmosfera terrestre. Di conseguenza, può identificare singole variabili Cefeidi in galassie che sono a più di cento milioni di anni luce di distanza e misurare l’intervallo di tempo durante il quale cambiano la loro luminosità“.

Tuttavia, dobbiamo anche osservare le Cefeidi nella parte del vicino infrarosso dello spettro per vedere la luce che passa indenne attraverso la polvere interposta (la polvere assorbe e disperde la luce ottica blu, facendo sembrare deboli gli oggetti distanti e inducendoci a credere che siano più lontani di quanto effettivamente sono)“.

Sfortunatamente, la visione a luce rossa di Hubble non è nitida come quella blu, quindi la luce delle stelle Cefeidi che vediamo lì è mescolata con altre stelle nel suo campo visivo. Possiamo spiegare la quantità media di fusione, statisticamente, allo stesso modo di un Il medico calcola il tuo peso sottraendo il peso medio dei vestiti dalla lettura della bilancia, ma così facendo aggiunge rumore alle misurazioni. I vestiti di alcune persone sono più pesanti di altri“.

Tuttavia, la visione infrarossa nitida è uno dei superpoteri del telescopio spaziale James Webb. Con il suo grande specchio e l’ottica sensibile, può facilmente separare la luce Cefeide dalle stelle vicine con poca fusione. Nel primo anno di operazioni Webb con il nostro programma Osservatori Generali 1685, abbiamo raccolto osservazioni di Cefeidi trovate da Hubble a due gradini lungo quella che è conosciuta come la scala delle distanze cosmiche“.

Il primo passo consiste nell’osservare le Cefeidi in una galassia con una distanza geometrica nota che ci permette di calibrare la vera luminosità delle Cefeidi. Per il nostro programma quella galassia è NGC 4258. Il secondo passo è osservare le Cefeidi nelle galassie di Tipo recente che ospitano supernovae di tipo Ia“.

La combinazione dei primi due passaggi trasferisce la conoscenza della distanza alle supernovae per calibrare la loro vera luminosità. Il terzo passaggio consiste nell’osservare quelle supernovae molto lontane dove l’espansione dell’universo è evidente e può essere misurata confrontando le distanze dedotte dalla loro luminosità e gli spostamenti verso il rosso delle galassie che ospitano supernova. Questa sequenza di passaggi è nota come scala delle distanze”.

Webb conferma l'accuratezza del tasso di espansione dell'universo misurato da Hubble e approfondisce il mistero della tensione costante di Hubble
Confronto delle relazioni periodo-luminosità delle Cefeidi utilizzate per misurare le distanze. I punti rossi provengono dal Webb della NASA, mentre i punti grigi provengono dall’Hubble della NASA. Il pannello superiore è per NGC 5584, la supernova ospite di tipo Ia, con il riquadro che mostra i timbri delle immagini della stessa Cefeide vista da ciascun telescopio. Il pannello inferiore è per NGC 4258, una galassia con una distanza geometrica nota, con il riquadro che mostra la differenza nei moduli di distanza tra NGC 5584 e NGC 4258 misurati con ciascun telescopio. I due telescopi sono in ottimo accordo. Crediti: NASA, ESA, A. Riess (STScI) e G. Anand (STScI).

Recentemente abbiamo ottenuto le nostre prime misurazioni Webb dai passaggi uno e due che ci consentono di completare la scala delle distanze e confrontarle con le misurazioni precedenti con Hubble. Le misurazioni di Webb hanno ridotto drasticamente il rumore nelle misurazioni delle Cefeidi grazie alla risoluzione dell’osservatorio alle lunghezze d’onda del vicino infrarosso“.

Questo tipo di miglioramento è ciò che gli astronomi sognano! Abbiamo osservato più di 320 Cefeidi durante i primi due passaggi. Abbiamo confermato che le misurazioni precedenti del telescopio spaziale Hubble erano accurate, anche se più rumorose. Abbiamo anche osservato altri quattro ospiti di supernova con Webb e vediamo un risultato simile per l’intero campione“.

Ciò che i risultati ancora non spiegano è perché l’universo sembra espandersi così velocemente! Possiamo prevedere il tasso di espansione dell’universo osservando la sua immagine infantile, lo sfondo cosmico a microonde, e quindi impiegando il nostro miglior modello di come cresce nel tempo per dirci quanto velocemente l’universo dovrebbe espandersi oggi“.

Il fatto che l’attuale misura del tasso di espansione superi significativamente la previsione è un problema ormai decennale chiamato ‘La Tensione di Hubble’. La possibilità più eccitante è che la Tensione sia un indizio su qualcosa che ci manca nella nostra comprensione del cosmo“.

Potrebbe indicare la presenza di energia oscura esotica, materia oscura esotica, una revisione della nostra comprensione della gravità o la presenza di una particella o di un campo unico. La spiegazione più banale sarebbe che molteplici errori di misurazione cospirano nella stessa direzione (gli astronomi hanno escluso un singolo errore utilizzando passaggi indipendenti), ecco perché è così importante ripetere le misurazioni con maggiore precisione“.

Con Webb che conferma le misurazioni di Hubble, le misurazioni di Webb forniscono la prova più forte finora che gli errori sistematici nella fotometria delle Cefeidi di Hubble non giocano un ruolo significativo nell’attuale tensione di Hubble. Di conseguenza, le possibilità più interessanti rimangono sul tavolo e il mistero della tensione si approfondisce“.

Questo post evidenzia i dati di un articolo accettato da The Astrophysical Journal.

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